变频器在分切机上的应用

变频器在分切机上的应用

1分切机的发展趋势近年来，中国的造纸和包装行业快速发展，面临着前所未有的巨大机遇，但与世界上先进的设备相比，它们面临着巨大的挑战。生产设备的生产能力非常强大,但我们的产品基本处于中低端市场。主要的原因是技术条件的限制。目前为至,大量的分切机上仍旧使用电磁调速作为主驱动和磁粉制动器来进行收放卷张力控制,大大限制了设备的运行速度,也浪费了能源。由于市场的扩大,对设备的要求也提高了,大规模、自动化程度高是设备发展的必然趋势,否则就不能更好的满足市场要求,因此高速、宽幅将是分切机的主要发展趋势。本文将主要介绍变频器在分切机上的应用。2电气分切机的性能要求(1)分切机介绍分切机的示意图如图1所示。分切机的操作流程如下:首先将母卷置于分切机构上,薄膜(或其他片材)穿过分切机的放卷张力控制辊、导向辊、剪形展平辊及相关过渡辊,接着由牵引压辊拖拉进入切刀分切,最后通过跟踪辊(分配辊)、压紧辊,进行上收卷或下收卷。在分切过程中,薄膜(或其他片材)在张力控制、压力控制、母卷摆动等综合系统的作用下,自动完成分切全过程。分切的产品质量影响包含物理、机械、电气等多方面综合因素,其中张力的控制及其张力的工艺参数将直接关系到薄膜(或其他片材)收卷的松紧度和端面的整齐性。从电机或传动的分布而言,分切机主要由三个工位组成:一是放卷臂和张力控制辊,负责放料卷,其运转速度受张力控制器上的传感器控制,当分切速度、放卷直径变化时,可以保证薄膜放卷线速度基本不变;二是主驱动辊,负责片材分切的牵引,其速度直接影响到分切的产量;三是收卷工位,分上收卷和下收卷,最终形成分切产品。分切机的运行性能都有比较严格的技术指标,目前市场上流行的高速分切机其配置要求有以下几点:(1)有足够的生产能力。一般要求分切机的放卷直径在2000mm左右,分切速度应能满足前级工艺(如印刷机)的生产速度,甚至更高一些。(2)操作方便。分切机的操作必须简便、直观,如设定张力、张力曲线、放卷直径、分切材料的厚度和收卷宽度、长度等各参数,都可以通过简单操作完成,用设备保证产品质量,消除人为因素。(3)设备控制技术先进。操作界面一般都采用先进的触摸屏计数,同时必须具有自动控制工作速度、计算收卷张力特性曲线、保证收卷张力精确、故障显示功能等。(2)分切机主驱动的变频控制分切机的主驱动一般是为压辊传动,是负责放卷辊与收卷辊之间的动力传递。分切机主驱动的速度直接决定了分切机的工作速度,提高速度是企业提高产量、降低成本的主要手段之一,为了获得更好的运行性能和经济效益,目前的分切机对于主驱动的控制已经从电磁调速普遍升级到变频调速。电磁调速系统是一种低档的转差调速,控制简单、成本低,曾经在低速分切机中发挥了重要作用,现在随着对生产速度和控制精度要求的提高,电磁调速系统已经暴露出了一些问题:一是调速控制器可靠性能差,主要元件如运算放大器经常损坏,常见的故障如“飞车”,即机器在失控的状态下高速运转;二是调速性能差,尤其是在低速运转时,转速不稳定,转矩较小,机械特性中存在失控区,因而常常造成机器在低速运行时转速不稳;三是低速运行时能量损耗较大,效率较低;四是无法融合到先进的控制系统中去,由于目前先进的分切机控制系统都采用可编程控制器和触摸屏,控制量都是通过通讯的方式进行,与电磁调速的控制回路无法匹配。总而言之,从分切机的配置要求看,电磁调速已经远远不能满足对于传动产品的高生产力和低故障率要求,将逐渐淡出包装印刷行业,由于异步电动机的变频调速具有范围广、平滑性高和机械特性硬的优点,其性能显然优于电磁转差调速,众多的保护性能使得变频器和电机的寿命大大提高。因此,采用变频调速系统作为主驱动其优势是显而易见的,也是分切机调速动力系统的发展方向。(3)分切机放卷和收卷的变频控制从图1可以看到,分切机主要完成的是从一卷到多卷的过程,其间涉及到放卷和收卷的过程。在传统的分切机控制中,放卷多采用磁粉制动,而收卷则通过磁粉离合器或力矩电机来完成。目前,随着变频控制技术的成熟和变频器的低价位普及,在分切机的放卷和收卷控制也朝变频调速方向发展,由于放卷和收卷本身的控制要求是张力,而不是直接的速度控制,通常都需要在通用变频器的基础上加应用宏软件,这样的变频器又被称为张力专用变频器。那么为什么磁粉离合器及制动器会逐渐被替代呢?首先需要了解一下磁粉控制的原理。磁粉离合器及制动器是一种特殊的自动化执行元件,它是通过填充于工作间隙的磁粉传递扭矩,因为改变励磁电流就可以改变磁粉的磁性状态,进而调节传递的扭矩。通常情况下,磁粉控制可用于从零速开始到电动机同步速度之间的无级调速,适用于高速段微调及中小功率的调速系统,还用于用调节电流的方法调节转矩以保证卷绕过程中张力保持恒定的开卷或收卷张力控制系统。磁粉控制主要的缺点是速度不能高,高速运行时易造成磁粉高速磨擦,产生高温,造成磁粉离合器发热进而缩短其寿命。所以限于磁粉本身的使用寿命原因,经常会造成机器故障率较高等不利情况。另外,由于更高的分切速度及生产工艺对张力控制提出了更高的要求,使得磁粉离合器也已不能再胜任该类系统的执行单元,而更多地使用变频控制进行放卷和收卷。至于力矩电机的收卷应用则是基于力矩电机独特的电气特性基础上的,当负载增加时,力矩电机的输送轴转速能自动随之降低,使产品卷绕时的张力基本保持不变。通常情况下,它一般只能应用在张力控制精度要求较低的低速场合,对于高速分切机的控制无能为力。综合以上几点,变频控制应用于放卷和收卷就显得非常重要,张力变频器的推出也很符合分切机现场的要求。在收、放卷过程中,收卷和放卷直径是不断变化的,直径的变化必须会引起片材张力的变化。放卷在制动力矩不变的情况下,直径减少,张力将随之增大。而收卷则相反,如果收卷力矩不变时,随着收卷直径增大,张力将减少。这是分切机的固有特性所决定的,也是引起片材张力变化的主要因素之一。在收卷和放卷控制中,使用张力变频器是最合适的控制方案。因为张力专用变频器能够适应不同的张力检测方式,并能最终保持线材或片材的张力恒定。该类型的变频器通过两种途径可以达到恒张力的目的:一是通过控制电机转速来实现;另外一种就是通过控制电机的输出转矩来实现。这两种途径可以细分为三种张力控制方式:(a)闭环速度控制模式:通过调节电机转速来达到张力恒定。变频器的运行模式是PID方式,由张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环,在同步匹配频率的指令基础上进行调整输出。这里讲的同步匹配频率就是由片材的线速度和卷筒的卷径实时计算而来。(b)开环转矩控制模式:通过控制电机输出转矩控制张力恒定。该方案的张力值来源于卷径计算,同时受到张力锥度的影响,以及考虑加减速过程中转动惯量的因素。(c)闭环转矩控制模式:在(b)的基础上增加了张力反馈闭环调节,通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节,调整变频器输出转矩指令,能保证更高的张力控制精度。针对不同的收卷和放卷工况,可以选择不同的张力控制方式,这就是张力专用变频器的优点。3无速度传感器矢量控制的原理(1)方案说明使用汇川通用变频器MD320驱动压辊主驱动,控制分切机的运行速度,它可以工作在开环矢量工作方式。主速度一般可以用电位器来调整。AO1端口作为运行频率的输出,作为放卷变频器、上、下收卷变频器的线速度给定。具体如图2所示。放卷变频器及上、下收卷变频器要使用汇川张力专用变频器MD330,三个变频器均需要工作在闭环矢量方式,模式为张力开环。汇川MD330变频器是一种可以实现恒张力控制的变频器,可以通过变频器内部的计算,获得材料的卷径,通过控制变频器的输出转矩来获得恒张力控制。汇川变频器可以通过设置系统惯量补偿、摩擦补偿及材料惯量补偿来补偿由于系统惯量、磨擦阻力及材料惯量引起的起动或加速过程中速度不均匀的情况,获得非常平稳的张力控制效果。方案简易,调试简单。而且MD330变频器的恒张力控制基本不受速度的影响,可以实现高速分切。(2)变频器控制说明汇川变频器MD320和MD330都是采用矢量控制的方式,前者工作在无速度传感器的矢量控制方式下,后者工作在有速度传感器的矢量转矩控制方式下。为了获得良好的控制方式,必须对电机的控制参数进行辨识整定,以便在变频器内建立精确的电机模型。MD320和MD330作为目前新型的矢量控制变频器,已经具备异步电动机参数自动调谐、自适应功能,可以在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行调谐后存储在相应的参数组中,并根据调谐结果调整控制算法中的有关数值。在无速度传感器矢量控制的主驱动变频器MD320中,速度调节器ASR是核心部分,Kp为比例增益,KI为积分时间。积分时间设为0时,则无积分作用,速度环为单纯的比例调节器。由于是无速度传感器矢量控制方式,速度环的实际速度来源于变频器内部的实际计算值。速度调节器ASR的整定参数包括比例增益P和积分时间I,其数值大小将直接影响矢量控制的效果,其目标就是要取得动态性能良好的阶跃响应。具体调节的影响情况如下:(1)增加比例增益P,可加快系统的动态响应,但P值过大,系统容易振荡;(2)减小积分时间I值,可加快系统的动态响应,但I值过小,系统超调就会增大,且容易产生振荡;(3)通常先调整比例增益P值,保证系统不振荡的前提下尽量增大P值,然后调节积分时间I值使系统既有快速的响应特性又超调不大。而放卷和收卷控制的MD330张力专用变频器是在转矩控制的方式下进行,先是根据转矩设定值计算出转差频率,并与变频器的编码器PG接口获得的反馈速度相加,在速度限制下输出同步频率。很显然,在转矩控制方式下,速度调节器ASR并不起直接作用,也无法控制速度。转矩控制时,变频器的输出频率自动跟踪负载速度的变化,但输出频率的变化受设定的加速和减速时间影响,如需要加快跟踪的速度,需要将加速和减速时间设得短一些。由于MD330张力专用变频器涉及的直接对象是张力,因此必须在张力与转矩之间进行数据转换。下面公式是由设定的张力和卷筒的卷径计算得出的变频器的转矩指令:其中T为变频器输出转矩指令,F为张力设定值,D为卷筒的卷径,I为机械传动比。显而易见,在张力与转矩的关系中,卷径的变化量是至关重要的,通常在张力专用变频器中都由卷径计算模块,通过参数选择来决定卷径计算方式,包括以下几种:(1)直接卷径测量法,通过卷径长度传感器的模拟量直接进入变频器的模拟量口或者脉冲数字量口;(2)通过线速度计算法,即通过当前的线速度和变频器的输出频率按照一定的公式计算获得;(3)通过厚度累计计算法,即根据片材或线材的材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减,前者适用于收卷,后者适用于放卷。除了卷径外,张力锥度也是影响因素之一,MD330张力专用变频器也有相应的参数进行设定。(3)工艺调试情况说明利用汇川变频器作分切机控制时,建议使用电机直接拖动主轴的方式而无需安装减速装置。主要原因是变频器控制张力时控制量最终为变频器的输出转矩,转矩为张力与卷径的乘积,在空卷时,输出转矩为最小。如果减速比为N,折算到变频器上转矩为转矩/N,若小于电机额定转矩的5%,则控制的不够准确。在调试时,首先将收放卷的三个变频器的闭环矢量方式调试正常,否则没法完成后续的转矩控制。在此过程中,最常遇到的问题是编码器信号没有输入、旋转编码器A、B方向接反、编码器脉冲数输入不正确。这几种问题的表现形式主要是运行速度和输入速度偏差较大或者电机低速蠕动而且运行电流与实际空载电流相差较大。放卷控制中变频器实际上只是提供一个反向的拉紧力,所以其控制精度要求不高。调试相对简单。关于零速时的反向拉紧,汇川变频器可以提供两种选择,一个是允许反向拉紧功能,表现形式是在零速时若运行命令没有撤掉,则变频器可控制电机一直将材料拉紧,避免刚开始运行时由于材料松驰而造成的速度冲击,将材料拉断。另外一种选择为不允许反向收紧,在零速时若运行命令没有撤掉,则变频器没有力矩输出。材料可能会松驰,但可避免断料时的飞车情况。收卷变频器工作在转矩控制模式,在加减速过程中,需要提供额外的转矩用于克服系统的转动惯量。如果不加补偿,则会出现收卷过程中张力偏小减速过程中张力偏大的现象。如果起动时出现张力变小,则增加系统惯量补偿系数。磨擦补偿主要是克服在整个运行过程中由于系统存在的磨擦力对张力的影响,可通过调节磨擦补偿系数来完成。正常运行时材料张力若小于设定张力,则将摩擦补偿系数增大。另外需要补偿的是卷轴上材料所产生的转动惯量,通过设定材料的密度及宽度,变频器可计算出当前材料的转动惯量。调试时合适设定张力锥度,可以控制材料的卷曲质量,避免外紧内松的情况发生。很多情况下卷径的获得是统过线速计算法来获得的,而卷径又是计算输出转矩的直接因素,所以正确设定最大线速度是非常关键的。调试时可以通过验证变频器显示的当前卷径和实际卷径,来判断所设最大线速度是否正确。若显示的当前卷径大于实际卷径,则表明所设的最